\chapter{原子物理学}
原子物理学(Atomic physics)是研究原子的结构、运动规律及相互作用的物理学分支。它主要研究：原子的电子结构；原子光谱；原子之间或与其他物质的碰撞过程和相互作用。国内教材以褚圣麟教授的原子物理学为主。
\section{发展历史}
\subsection{道尔顿原子}
1803年英国自然科学家约翰·道尔顿提出了世界上第一个原子模型：

1.原子都是不能再分的粒子；

2.同种元素的原子的各种性质和质量都相同；

3.原子是微小的实心球体。

虽然，经过后人证实，这是一个失败的理论模型，但道尔顿第一次将原子从哲学带入化学研究中，明确了今后化学家们努力的方向，化学真正从古老的炼金术中摆脱出来，道尔顿也因此被后人誉为“近代化学之父”。
\subsection{阴极射线}
德国数学家、物理学家尤利乌斯·普吕克（德语：Julius Plücker，1801年6月16日－1868年5月22日）曾为解析几何领域作出过许多基础性的贡献；同时他还是阴极射线研究的先驱者之一，该研究后来导致了电子的发现。此外，他还极大地拓展了对拉梅曲线（Lamé curve）的研究。

1858年尤利乌斯·普吕克在研究低压气体放电的过程中发现了阴极射线。

当装有2个电极的玻璃管(cathode ray tube)里的空气被抽到相当稀薄的时候，在2个电极间加上几千伏的电压，这时在阴极对面的玻璃壁上闪烁着绿色的辉光，可是并没有看到从阴极上有什么东西发射出来。这究竟是怎么一回事呢？

1869年物理学家约翰·威廉·希托夫观察到真空管中的阴极发出的射线。当这些射线遇到玻璃管壁会产生荧光。

1871年，英国物理学家瓦尔利从阴极射线在磁场中受到偏转的事实，设想这一射线是由带负电的物质微粒组成。他的主张得到本国人克鲁克斯和舒斯特的赞同。

1876年，德国物理学家欧根·戈尔德斯坦认为这是从阴极发出的某种射线，并命名其为阴极射线。他根据这一射线会引起化学作用的性质，判断它是类似于紫外线的以太波。这一观点后来得到了赫兹等人的支持。赫兹在1887年曾发现电磁波，就把阴极射线看成是电磁辐射，实际上和戈尔德斯坦的主张是一样的。这样就形成了以太说。赞成以太说的大多是德国人。

在1870年后，形成了两种观点；德国学派主张以太说，英国学派主张带电微粒说。双方争持不下，谁也说服不了谁。为了找到有利于自己观点的证据，双方都做了许多实验[1]。

随后，英国物理学家与化学家威廉·克鲁克斯（William Crookes，1832年6月17日－1919年4月4日）在实验室里研究稀薄气体能量释放时，也发现了这种射线，并且制造了克鲁克斯管。这是一种玻璃真空管，内有高电压的电极。他还发现，当将未曝光的相片底片靠近这种管时，一些部分被感光了，但是他没有继续研究这一现象。克鲁克斯证实阴极射线不但能传递能量，还能传递动量。他认为阴极射线是由于残余气体分子撞到阴极，因而带上了负电，又在电场中运动形成“分子流”。

以太论者不同意这一说法，用实验加以驳斥。哥尔茨坦做了一个很精确的光谱实验。他用一根特制的L形放电管，电极A、B可以互换，轮流充当阴极，用光谱仪观测谱线。如果阴极射线是分子流，它发出的光应产生多普勒效应，即光的频率应与分子流速度方向有关。可是，不管是那一端发出阴极射线，谱线的波长都没有改变。有人认为这证明了分子流之说站不住脚。以太论者认为这是对以太说的一个支持。

1884年6月25日，瑞士约翰·雅各布·巴耳末（Johann　Jakob　Balmer，1825.5.1－1898.3.12）在巴塞尔自然科学协会的演讲中公布氢光谱线系形式异常简单的经验公式，随后玻尔利用此规律很快找到氢原子跃迁规律。

1887年赫兹发现光电效应，后被爱因斯坦利用光量子假说成功解释。

1887年4月，尼古拉·特斯拉开始使用自己设计的高电压真空管与克鲁克斯管研究X射线。他发明了单电极X射线管，在其中电子穿过物质，发生了现在叫做轫致辐射的效应，生成高能X射线。

舒斯特则将带电微粒解释成气体分子自然分解出来的碎片，带正电的部分被
阴极俘获，电极间只留下带负电的部分，因而形成阴极射线。1890年，他根据
磁偏转的半径和电极间的电位差估算带电微粒的荷质比，得到的结果在5×$10^6$库仑/千克至1×$10^{10}$库仑/千克之间，与电解所得的氢离子的荷质比$10^8$库仑/千克相比，数量级相近。

赫兹和他的学生勒纳德也做了许多实验来证明自己的以太理论。赫兹做的真
空管中电流分布的实验，“证明”阴极射线的走向与真空管中电流的分布无关。
他还在阴极射线管中加垂直于阴极射线的电场，却没有看到阴极射线受到任何偏转。这两个实验不成功的原因是因为当时不了解低压状态下气体导电机制的复杂性。遗憾的是，赫兹以此作为阴极射线不带电的证据，更加坚持以太说。赫兹做的另一实验则是成功的。

1891年，赫兹注意到阴极射线可以象光透过透明物质那样地透过某些金属薄片。

1892年赫兹进行实验，提出阴极射线可以穿透非常薄的金属箔。赫兹的学生伦纳德进一步研究这一效应，对很多金属进行了实验。亥姆霍兹则对光的电磁本性进行了数学推导。

1892年特斯拉完成了轫致辐射效应高能X射线实验，但是他并没有使用X射线这个名字，而只是笼统地称为放射能。他继续进行实验，并提醒科学界注意阴极射线对生物体的危害性，但他没有公开自己的实验成果。

1894年，勒纳德发表了更精细的结果。他在阴极射线管的末端嵌上厚仅0．000265厘米的薄铝箔作为窗口，发现从铝窗口会逸出射线，在空气中穿越约1厘米的行程。他们认为这又是以太说的有力证据，因为只有波才能穿越实物。

微粒说者也在积极寻找证据。1895年法国物理学家佩兰将圆桶电极安装在阴极射线管中，用静电计测圆桶接收到的电荷。结果却是负电。他支持带电微粒说，发表论文表示了自己的观点。但是他的实验无法作出判决性的结论。因为反对者会反驳说：佩兰侦测到的不一定就是阴极射线所带的电荷。
\subsection{伦琴发现X射线}
1895年德国物理学家威廉·康拉德·伦琴（德语：Wilhelm Röntgen，1845年3月27日-1923年2月10日）也开始放电管实验。

1895年11月8日夜晚，伦琴发现了一个意外的现象:他在继续实验时为防止紫外线和可见光的影响，不使管内的可见光漏出管外，用黑色硬纸板把放电管严密封好，在接上高压电流进行实验时，他发现1米以外的一个涂有氰化铂酸钡的荧光屏发出微弱的浅绿色闪光，一切断电源闪光就立即消失。这一发现使他十分惊奇，他全神贯注地重复实验，把荧光屏一步步移远，即使在2米左右，屏上仍有较强的荧光出现，当他带着这张涂料纸走进隔壁房间，关上门，拉下窗帘，荧光屏在管子工作时仍继续闪光。当时，伦琴确信，这一新奇的现象是迄今为止尚未观察过的。 

在1895年最后的几个星期中，他没有对任何人讲述过自己的观察，无论是协作者，还是同行，伦琴独自工作，以便证实这个偶然的观察是确定的事实，然后他又用木板、纸和书来试验，这些东西对它来说都是透明的。作为一位谨慎的研究者，伦琴当时感受到的是新的、尚未经历过的东西;他希望在提出“完美无暇的结果” [5]之后才去享受这突如其来的幸福，像伦琴后来所说的那样，这突然降临到他头上的“伟大的命运” [5]。在七个星期之内，这位科学家独自在自己的实验室里研究新的射线及其特性，为了排除视力的错觉，他利用感光板把他在光屏上观察到的现象记录下来，他甚至吩咐给他把饮食带到研究所去，并在那里安放了一张床铺，以便无须中断利用仪器、特别是利用水银空气泵进行的研究工作。[3]  

1895年12月22日晚上，他说服他的夫人充当实验对象，当他夫人的手放在荧光屏后时，她简直不敢相信，荧光屏上这只有戒指和骨骼毕露的造影就是她自己的手，这种实验对伦琴夫人，也像以后对许多人一样，仿佛产生了一种死亡的征兆。 [3]  

伦琴深信他的观察是证据确凿的，他确信自己已发现了一种新的神秘射线。这年伦琴满50岁。

1895年12月28日，他给维尔茨堡物理学医学学会递交了一份16个专题的通讯，题目为《一种新的射线，初步报告》，那时的伦琴对这种射线是什么确实不了解，这就是他在第一个通报中按代数上的未知数符号“X”命名的原因，伦琴在发现这种射线后说道:“起初，当我做这个穿透性射线的发现时，它是这样奇异而惊人，我必须一而再、再而三地做同一实验，以使绝对地肯定它的实验存在，除去实验室中这个奇怪观象之外，别的我什么也不知道。它是事实还是幻影?我在怀疑和希望之间弄得精疲力尽，也不想让其它思想干扰我的实验”。 [6]  

1896年年初，这篇论文发布在维尔茨堡的Physical-Medical Society杂志上。1月5日论文副本详细发表在《维也纳日报》星期版的头版头条，立即引起了巨大的轰动。1月13日下午5时，伦琴应邀在德皇威廉二世和皇后御前作讲演和表演，德皇与他共进晚餐并授予二级宝冠勋章和勋位，并批准在波茨坦桥旁为他建立塑像的荣誉。研究机构的物理学家都开始仿造伦琴的实验设备，抓紧时间重复他的实验，伦琴陆续收到了威廉·汤姆生、斯托克斯(Stokes)、彭加勒(Poincaré)、寇尔劳士、玻尔兹曼(Boltzmonn)等著名科学家的来信，这些热情洋溢的信都赞扬他为科学做出了极大的贡献。伦琴曾是科学“普及”的反对者，他担心科学成就将庸俗化;由于这个原因，他自己从未向广大听众作出通俗普及的报导或报告。1896年1月23日，伦琴在他的研究所举行了第一次也是唯一的一次公开报告会，在这次报告会上，伦琴请求用X射线拍摄维尔茨堡大学著名解剖学家克利克尔(Köllicker)的一只手，克利克尔欣然地同意了这个请求，过了片刻，拍好的干板经过显影以后显示出一位八十岁老人形状真实的手骨，这时全场响起了暴风雨般的掌声，克利克尔立即建议把这种射线命名为“伦琴射线”。大学生也于当晚举行了火炬游行以示庆祝。同年9月举行的大英科学促进协会年会上，协会主席李斯脱(Lister)提出“按首先明确地向世界揭示它们的人命名”。[7]后来，著名物理学家罗兰认为:“应该把`伦琴射线'和`X射线'的名称并用” [6]，这就形成了现在两种名称混用的状态，同时把X射线(或$\gamma$辐射)的照射剂量的单位称为“伦琴”。伦琴的这次报告引起了人们广泛的注意，报告印刷成的单行本在以后3个月内连续印刷了5次;它还被译成了英文、法文、意大利文和俄文。1896年当年，世界各地发表了关于x射线的论文1千余篇。

伦琴将x射线的专利权亳无保留地公诸于世，让它为全人类服务。

伦琴说：“假如没有前人的卓越研究，我X线发现是很难实现的”。谦虚的态度、高尚的品格，伦琴不愧是我们光辉的楷模。

1901年伦琴获得诺贝尔物理学奖。
\subsection{爱迪生研究X射线应用}
1895年爱迪生研究了材料在X射线照射下发出荧光的能力，发现钨酸钙最为明显。1896年3月爱迪生发明了荧光观察管，后来被用于医用X射线的检验。然而1903年爱迪生终止了自己对X射线的研究，因为他公司的一名玻璃工人喜欢将X射线管放在手上检验，最后得了癌症，尽管进行了截肢手术仍然没能挽回生命。巴克拉发现X射线能够被气体散射，并且每一种元素有其特征X谱线。他因此获得了1917年诺贝尔物理学奖。
\subsection{X射线激光器}
1980年代，X射线激光器被设置为罗纳德·里根总统的战略主动防御计划的一部分。然而对该装置（一种类似激光炮，或者死亡射线的装置，由热核反应提供能量）最初的、同时也是仅有的试验并没有给出结论性的结果。同时，由于政治和技术的原因，整体的计划（包括X射线激光器）被搁置了（然而该计划后来又被重新启动——使用了不同的技术，并作为布什总统国家导弹防御计划的一部分）。
\subsection{X射线天文台}
1990年代，哈佛大学建立了钱德拉X射线天文台，用来观测宇宙中强烈的天文现象中产生的X射线。与从可见光观测到的相对稳定的宇宙不同，从X射线观测到的宇宙是不稳定的。它向人们展示了恒星如何被黑洞绞碎，星系间的碰撞，超新星和中子星。
\subsection{放射性}
1896年法国人贝克勒尔发现放射性。1897年汤姆逊证实了电子的存在。这两个发现彻底粉碎了原子不可分的理论。贝克勒尔是在偶然的情况下发现了放射性，当时他正致力于磷光性物质的研究，无意中发现放在抽屉里用纸密封好的底片居然感光了，形成放在其上面的一把钥匙清晰的像。光是从哪里来的?

通过细心的观察发现是磷光实验用的铀的化合物也偶然放在抽屉里的原因，在研究后发现这种化合物具有放射性，能从中发出放射线来。之后，居里夫妇从几十吨提过铀的废矿中提取出放射性更强的的钋和镭。由于放射现象的发现，知道一种放射性元素发出粒子后能够转变为其他新元素的原子，说明发出射线的原子有其内部的结构。与此发现相比，电子的发现却没有这么幸运，虽然汤姆逊由于确认电子的存在而被誉为“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。
\subsection{J.J.汤姆生发现电子}
伦琴的X射线的发现使气体电离有了一种新方法，提供了对气体离子行为的一种新的洞察能力。汤姆逊开始了那个方向的研究工作，这导致了对自由电子的研究。

1890年休斯脱、1897年考夫曼也都作了类似的实验，发现了阴极射线[3]，测得了荷质比。他们没有勇气改变传统旧观念而放弃了发现。这些都是恩格斯所描述的“当真理碰到鼻子尖的时候还是没有得到真理”的人。

从1890年起，英国剑桥大学卡文迪什实验室教授J.J.汤姆生(Joseph John Thomson，1856-1940）就带领自己的学生研究阴极射线。克鲁克斯和舒斯特的思想对他很有影响。他认为带电微粒说更符合实际，决心用实验进行周密考察，找出确凿证据。为此，他进行了以下几方面的实验：

\subsubsection{直接测阴极射线携带的电荷}
J.J.汤姆生将佩兰实验作了一些改动。他把联到静电计的电荷接受器（法拉第圆桶）安装在真空管的一侧。平时没有电荷进入接收器。用磁场使射线偏折，当磁场达到某一值时，接收器接收到的电荷猛增，说明电荷确是来自阴极射线。

\subsubsection{使阴极射线受静电偏转}
J.J.汤姆生重复了赫兹的静电场偏转实验，起初也得不到任何偏转。后来经仔细观察，注意到在刚加上电压的瞬间，射束轻微地摆动了一下。他马上领悟到，这是由于残余气体分子在电场的作用下发生了电离，正负离子把电极上射线所带电荷的实验装置的电压抵消掉了。显然这是由于真空度不够高的原因。于是，他在实验室技师的协助下努力改善真空条件，并且减小极间电压，终于获得了稳定的静电偏转。这样，J.J.汤姆生就获得了驳斥以太说的重要证据。

\subsubsection{用不同方法测阴极射线的荷质比}
一种方法是在管子两侧各加一通电线圈，在1897年，汤姆逊证实了阴极射线的微粒性，测量了粒子的速度和荷质比。汤姆逊在他的实验中使用的二个管子，射线从管中左边的阴极A发出，通过阳极B的一条缝进入第二个管子，可以用一磁铁使射线偏转而进入一种法拉第笼。收集到的电荷是负的。因此证明了阴极射线是带负电的粒子。类似的实验已被J.佩兰在法国做过。在一个第二种类型的管子中，C所产生的阴极射线穿过接地的缝A和B，形成了一束狭窄的射线直射到管子的另一端。射线击中管子的电灯泡状端面的地方会有一小块磷光亮斑显现出来。

当汤姆逊将两块金属板E和D与电池的两端连结起来时，磷光斑移动了，证明了阴极射线被电场偏转。用一个与电场垂直的磁场，于是他能够用磁学的办法将射线偏转。磁偏转在以前曾被观察到，但是，J.J.汤姆逊是第一个观察到电偏转的人。明显地缺少了阴极射线的电偏转，这是促使J.J.汤姆逊进行这项研究的首要因素。为什么在阴极射线被研究的几十年中没有人发现过电的偏转？原因是简单的：除非在阴极射线管里有一个好的真空，否则就建立不起电场。低真空是电导体，其中，静电场建立不起来。但是汤姆逊成功了，不仅用如图1.6的装置而且用其他两个装置也成功了。1897年8月，他描述了“为了检验荷电粒子的理论”所做的实验，将他的测量结果应用到确定组成阴极射线的粒子的荷质比上去。从同样的实验中，他也导出了粒子的速度。这里是他的推理的一个摘要：

由一给定电流携带的总电量Q等于它所有的粒子数N乘每一个粒子的电荷e
\begin{align}
Ne=Q\label{Echarge}
\end{align}

然后，测量阳极的温升，因为阴极射线撞击到阳极，会引起阳极的温度升高。J.J.汤姆生把热电偶接到阳极，测量它的温度变化。通过测量产生的热的办法来测量由粒子所传输的能量W，这个值必须等于质量为m、速度为v的这些粒子的动能
\begin{align}
\frac{1}{2}mv^2N=W\label{Electronkineticenergy}
\end{align}

用磁学办法使粒子发生偏转，他知道：
\begin{align}
m\frac{v}{e}=Bp\label{Electrondeflection}
\end{align}

这里p是轨道的曲率半径，B是磁场。因为能量，电量，磁场和曲率半径是可测量的，他能推论出荷质比
\begin{align}
\frac{e}{m}=\frac{2W}{Q^2B^2p^2}\label{specificcharge}
\end{align}

具有值$2.3\times10^{-17}$静电单位电量/克，远大于电解法中离子的荷质比e/m。

在他1897年的文章中，汤姆逊叙述了另一个令人注意的观察结果：构成阴极射线的微粒都是一样的，与管内阴极或对阴极或气体的成分无关。这里有一个所有物质的普适成分。

1898年，汤姆逊大胆地提出了原子的“枣糕模型”：原子的带正电部分是一个原子那么大的，具有弹性的冻胶状球体，正电荷均匀分布在这球内或球面上，有负电子镶嵌着，这些电子在其平衡位置上作简谐振动，原子发光频率即为电子振动频率。此模型能解释当时所有对原子的认识。
\paragraph{威尔逊雾滴法}
稍后，在1899年，他使用他过去的学生C．T．R．威尔逊发展起来的技术和思想，分别测量了电子的电荷和质量。威尔逊已经注意到在适宜的环境下，电荷起着过饱和蒸汽的凝结核的作用。因为水会在它们上面冷凝，这有助于雾的形成。在这样一种由于电荷的存在而形成的雾里，人们可以根据小雾滴下落的速度而计量它们的体积，从沉淀的水的总量或根据最初的过饱和汽算出它们的数目。根据这个数据可以得到雾中所有的小滴子数。根据由雾所传输的总电荷（这是直接可测的）可以发现平均每一个小滴上的电荷与电子电荷相同。在卡文迪许实验室做的这项工作，得到的电子电荷大约为$3\times10^{-10}$绝对静电单位。根据测量到的e/m值可以求得电子质量。
\paragraph{密立根油滴法}
这个“落滴”法后来被罗伯特·安德鲁·密立根（Robert  Andrews Millikan，1868年3月22日—1953年12月19日）于1910年在美国加以改进。他不观察雾，而观察单个的微滴；他将此法变革为一个精确的方法，得到值为$4.78\times10^{-10}$esu的电子电荷。许多年以来，这一直是一个最好的直接测量值。然而在1929年，出乎每个人的意料，发现它竟然有百分之一的误差，比估计可能有的误差大得多。这个差异的起源在于对空气粘滞性的测量有毛病。今天所知的电子电荷值精确度为百万分之三，即4.803242×$10^{-10}$esu；已知的精确度为百万分之六的e/m是5.272764×$10^{-17}$esu/g。
\paragraph{密立根实验数据争议}
密立根油滴实验60年后，史学家发现，密立根一共向外公布了58次观测数据，而他本人一共做过140次观测。他在实验中通过预先估测，去掉了那些他认为有偏差，误差大的数据。这违反了科学的原则。密立根是在1907年在芝加哥大学任教时开始做测定基本电荷的实验的。他一开始用的是水滴。在1909年他首次报告了用水滴测定的基本电荷的数值。但是用水滴做实验有一个很大的问题：水滴很容易挥发，只能对它们的运动情况做几秒种的观察。这时研究生哈维·弗雷彻加入了密立根实验室。在参与讨论如何防止水滴蒸发的问题之后，弗雷彻建议改用油滴做实验。在一天之间，弗雷彻制作了油滴实验的设备，并在当天就进行了实验，获得了一个比较靠谱的基本电荷数据。那一天密立根不在实验室。密立根在第二天回到实验室后，看到了弗雷彻的实验设备，非常兴奋。此后两个人一起工作，对实验设备进行了改进。6周后，公布了实验结果。很显然，这个实验的论文应该由两人联合发表。但是密立根提醒弗雷彻，根据学校的要求，研究生的博士论文必须单独署名，不能有合作者。密立根建议，弗雷彻可以在以后的某篇论文单独署名作为其博士论文，但是做为交换条件，这第一篇论文必须只署密立根一人的名字。弗雷彻虽然感到失望，但是没有别的办法，同意了这一安排。于是在1910年密立根做为唯一作者发表了第一篇油滴实验的论文，并最终获得诺贝尔奖。弗雷彻则在第5篇论文中做为唯一作者。1982年，弗雷彻死后发表的文章中才披露了这个秘密。这个安排虽然是两人协议的结果，而密立根在第一论文中也提到实验是由他和弗雷彻一起做的，但是不管以什么理由或交换条件，剥夺研究生在参与设计和实验的论文的署名权，仍然是一种不正当的行为。不能拿论文的署名权做交易。密立根如果大度一点的话，完全可以让第一篇论文两人共同署名，这与让弗雷彻以后在某篇主要由他一个人完成的论文中单独署名，一点也不冲突。论文的作者必须是对实验做出了实质性贡献的所有的人，不能多也不能少。然而，即使是在今天，实验室的“老板”不看对论文的实质性贡献，利用权势决定谁是论文的共同作者，这仍然是相当常见的。密立根的问题还不限于此。在密立根的论文发表后，其他实验室试图重复其实验。其主要对手是维也纳大学的菲里克斯·厄仑霍夫特。在1911～1913年间，厄仑霍夫特重复了油滴实验，但是却未能发现像密立根所说的油滴所带的电量总是某一个最小固定值的整数倍。1913年，密立根发表了一篇论文，其数据非常清楚地表明了基本电荷的存在，并算出了基本电荷的精确值，从而结束了争论。

密立根油滴实验果真像其论文显示的那样清晰、精确吗？1981年，阿兰·富兰克林研究了密立根的实验记录本，发现密立根在记录本中对其观察结果进行打分，从“一般”到“最好”。根据记录本，密立根在1913年发表的论文依据的是140次观察，然而他把其中49次观察的数据舍弃不用，只根据91次他认为较好的观察结果的数据进行计算。但是，在论文中，密立根却声称该论文“代表了所有的油滴实验”。如果密立根把所有的观察数据都包括进去，虽然不会影响其结果，却会加大误差。这样，密立根通过有选择性地删除数据，获得了漂亮的实验结果，并且在论文中误导读者。像这样对实验数据进行修饰，不论是少报还是多报实验次数，不论是删除不利数据还是增添有利数据，都是一种严重的学术不端行为。现在看来，密立根当时获得的基本电荷数值偏低，因为他在计算空气阻力时使用了不准确的空气粘滞系数。

1974年，美国著名物理学家费曼在加州理工学院毕业典礼发表的演说中提到一个有趣的现象：在密立根之后物理学家测定的基本电荷数值随着时间的推移在不断增大，每次只增大一点点。费曼认为这是由于后来的物理学家在测定基本电荷时，如果获得的数值比密立根的数值高得多，就会想当然地认为自己测错了，回头去找原因，舍去这些“高得离谱”的数据，只保留那些比较接近密立根数值的数据。看来干修饰数据勾当的物理学家还不在少数。
\subsubsection{汤姆逊电子模型修正}
随着新问题的提出，汤姆逊模型也作了相应的完善和改进，它于1903年、1907年都有所修正。

1903年勒纳特所作的电子在金属膜上的散射实验，显示了原子的“空虚”，使汤姆逊模型遇到困难。他发现较高速度的电子很容易穿透原子，原子不象那样半径的实球体，于是汤姆逊就在他的原子模型中追加了“冻胶状”球体的描述。再如，为了解释元素周期表，汤姆逊还假设了电子按同心环分布，且指出每环中只能安置有限个电子等等。

1903年J. J. Thomson（汤姆森）修正枣糕模型为原子葡萄干圆面包模型来解释带电粒子在通过很薄的物质时产生的散射。他假设原子是由带 N个负电荷的粒子构成，伴随着相同数量的正电荷，均匀地分布在整个球内，可以在其平衡位置作微小振动。负电荷粒子（如$\beta$粒子）在穿过原子时的偏转归结为两个原因：

（1）分布在原子内负电荷的斥力， 

（2）原子内正电荷的吸引力。

粒子在经过原子时的偏转假设是很小的，尽管在与一个很大质量m碰撞后的平均角度为 m $\theta$， 其中$\theta$是对于单个原子的平均偏转。这表明，原子内部的电子数N可以通过观察带电离子的散射推断出来。这个混合散射理论的精确性在后来 Crowther 的一篇论文中做了实验检验。 Crowther 的实验结果明显地确认了Thomson（汤姆森）理论的主要结论，而且 Crowther 基于正电荷的连续性假设推导出，原子中的电子数大约是原子重量的三倍。 [3]  

1904年，汤姆逊提出原子中正电荷以均匀的体密度分布在一个大小等于整个原子的球体内，而带负电的电子则一粒粒地分布在球内的不同位置上，分别以某种频率振动着，从而发出电磁辐射。这个模型被形象的比喻为“果仁面包”模型，不过这个模型理论和实验结果相矛盾，很快就被放弃了。

1911年卢瑟福在他所做的粒子散射实验基础上，提出原子的中心是一个重的带正电的核，与整个原子的大小相比，核很小。电子围绕核转动，类似行星绕太阳转动。这种模型叫做原子的核模型，又称行星模型。这个模型导出的结论同实验结果符合的很好，很快就得到了公认。
\subsection{$\alpha$粒子散射实验}
\subsubsection{历史}
1909年 汉斯·盖革和恩斯特·马斯登(Jishi.Y)在欧内斯特·卢瑟福指导下于英国曼彻斯特大学做了一个后来载入史册的著名物理实验-$\alpha$粒子散射实验，该实验又称Geiger-Marsden实验或卢瑟福金箔实验（Geiger–Marsden experiment(s),also known as Rutherford gold foil experiment）。

实验用准直的$\alpha$射线轰击厚度为微米的金箔，发现绝大多数的$\alpha$粒子都直线穿过薄金箔，偏转很小，但有少数$\alpha$粒子发生角度比汤姆生模型所预言的大得多的偏转，大约有1/8000的$\alpha$粒子偏转角大于90°，甚至观察到偏转角等于150°的散射，称大角散射。

J. J. Thomson（约瑟夫.约翰.汤姆森 ）理论是基于“单次原子碰撞产生的散射是很小的”这个假设。而且对原子特殊结构的假设也不允许$\alpha$ 粒子在穿过单个原子时有很大的偏转，除非假设正电荷球的直径与原子球的直径相比是极小的。

由于$\alpha$ 和$\beta$粒子穿过了原子，通过对偏转本质的密切研究而形成关于原子结构的某些看法，从而产生观察到的效应，这是很有可能的。事实上，高速带电粒子被物质原子散射就是解决这个问题最有希望的方法之一。开发出为单个$\alpha$ 粒子计数的闪烁法就提供了独特的研究优势，而H.Geiger正是通过这种方法的研究，已经为我们增加了很多关于$\alpha$射线被物质散射的知识。

1911年卢瑟福提出原子的有核模型(又称原子的核式结构模型或行星模型），与正电荷联系的质量集中在中心形成原子核，电子在核外绕着核运动，由此导出$\alpha$粒子散射公式，说明了$\alpha$粒子的大角散射。

卢瑟福的散射公式后来被盖革和马斯登改进了的实验系统地验证。根据大角散射的数据可得出原子核的半径上限为 $10^{-14}$米，此实验开创了原子结构研究的先河。这个实验推翻了J.J.汤姆森的原子葡萄干圆面包模型，为建立现代原子核理论打下了基础。
\subsubsection{实验理论}
直线运动的$\alpha$ 和$\beta$粒子在碰到物质原子时，运动方向会发生偏转。$\beta$粒子的散射数目要比$\alpha$ 粒子更多，因为$\beta$粒子的动量和能量要小得多。似乎已没有疑问，如此迅速移动的粒子以其原来的路径穿过了原子，而观察到的偏转是由于遍布于原子系统内强电场作用的结果。一般假设，一束$\alpha$ 或$\beta$粒子射线在通过薄片物质时的散射，是物质原子来回多次小散射的结果。然而，Geiger 和 Marsden 对$\alpha$射线散射的观察显示，某些$\alpha$ 粒子在单次碰撞时，一定会发生大于正常角度的偏转。例如，他们发现，一小部分入射$\alpha$ 粒子，大约 20000 个中有1个，在穿过厚度约为 0.4um的金箔时平均偏转了90°的角度，如此厚度的金箔阻止$\alpha$ 粒子的能力相当于1.6mm厚度的空气。Geiger 接着指出，一束$\alpha$ 粒子穿过以上厚度金箔最可能偏转的角度是0.87°。基于概率理论的一个简单计算表明，粒子偏转 90°的机会是微乎其微的。此外，稍后可以看出，如果这种大角度偏转是由许多小的偏转组成，那么，这种大角度偏转的$\alpha$ 粒子对各种角度的分布并不遵守预期的概率定律。大角度偏转是由于单次原子碰撞的设想似乎是有道理的，因为第二次同样碰撞而产生大角度偏转的概率在大多数情况下是很小的。一个简单的计算显示，原子必须具有强电场的核心，才能在单次碰撞中产生如此大的偏转。 [2]  
\subsubsection{实验目的}
卢瑟福从1909年起做了著名的$\alpha$粒子散射实验，实验的目的是想证实汤姆孙原子模型的正确性，实验结果却成了否定汤姆孙原子模型的有力证据。在此基础上，卢瑟福提出了原子核式结构模型。

为了要考察原子内部的结构，必须寻找一种能射到原子内部的试探粒子，这种粒子就是从天然放射性物质中放射出的$\alpha$粒子。卢瑟福和他的助手用$\alpha$粒子轰击金箔来进行实验，如图是这个实验装置的示意图。

在一个铅盒里放有少量的放射性元素钋(Po)，它发出的$\alpha$射线从铅盒的小孔射出，形成一束很细的射线射到金箔上。当$\alpha$粒子穿过金箔后，射到荧光屏上产生一个个的闪光点，这些闪光点可用显微镜来观察。为了避免$\alpha$粒子和空气中的原子碰撞而影响实验结果，整个装置放在一个抽成真空的容器内，带有荧光屏的显微镜能够围绕金箔在一个圆周上移动。 [3]  
\subsubsection{实验结果}
实验结果表明，绝大多数$\alpha$粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但有少数$\alpha$粒子发生了较大的偏转，并有极少数$\alpha$粒子的偏转超过90°，有的甚至几乎达到180°而被反弹回来，这就是$\alpha$粒子的散射现象。
发生极少数$\alpha$粒子的大角度偏转现象是出乎意料的。根据汤姆孙模型的计算，$\alpha$粒子穿过金箔后偏离原来方向的角度是很小的，因为电子的质量不到$\alpha$粒子的1/7400，$\alpha$粒子碰到它，就像飞行着的子弹碰到一粒尘埃一样，运动方向不会发生明显的改变。正电荷又是均匀分布的，$\alpha$粒子穿过原子时，它受到原子内部两侧正电荷的斥力大部分相互抵消，$\alpha$粒子偏转的力就不会很大。然而事实却出现了极少数$\alpha$粒子大角度偏转的现象。卢瑟福后来回忆说：“这是我一生中从未有的最难以置信的事，它好比你对一张纸发射出一发炮弹，结果被反弹回来而打到自己身上……”卢瑟福对实验的结果进行了分析，认为只有原子的几乎全部质量和正电荷都集中在原子中心的一个很小的区域，才有可能出现$\alpha$粒子的大角度散射。由此，卢瑟福在1911年提出了原子的核式结构模型，认为在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核(nucleus)，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间里绕着核旋转。

按照这一模型，$\alpha$粒子穿过原子时，电子对$\alpha$粒子运动的影响很小，影响$\alpha$粒子运动的主要是带正电的原子核。而绝大多数的$\alpha$粒子穿过原子时离核较远，受到的库仑斥力很小，运动方向几乎没有改变，只有极少数$\alpha$粒子可能与核十分接近，受到较大的库仑斥力，才会发生大角度的偏转。

根据$\alpha$粒子散射实验，可以估算出原子核的直径约为$10^{-15}-10^{-14}$米，原子直径大约是0.1纳米，所以原子核的直径大约是原子直径的万分之一，原子核的体积只相当于原子体积的万亿分之一。
\subsubsection{最终结论}
结果：大多数散射角很小，约1/8000散射大于90°； 极个别的散射角等于180°。

结论：正电荷集中在原子中心。

大多数$\alpha$粒子穿透金箔：原子内有较大空间，而且电子质量很小[2]。

一小部分$\alpha$粒子改变路径：原子内部有一微粒，而且该微粒的体积很小，带正电。

极少数的$\alpha$粒子反弹：原子中的微粒体积较小，但质量相对较大。
\subsection{玻尔氢原子模型}
绕核作旋转运动的电子有加速度，根据经典的电磁理论，电子应当自动地辐射能量，使原子的能量逐渐减少、辐射的频率逐渐改变，因而发射光谱应是连续光谱。电子因能量的减少而循螺线逐渐接近原子核，最后落到原子核上，所以原子应是一个不稳定的系统。

但事实上原子是稳定的，原子所发射的光谱是线状的，而不是连续的。这些事实表明，从研究宏观现象中确立的经典电动力学，不适用于原子中的微观过程。这就需要进一步分析原子现象，探索原子内部运动的规律性，并建立适合于微观过程的原子理论。

1913年，丹麦物理学家玻尔在卢瑟福[3]所提出的核模型的基础上，结合原子光谱的经验规律，应用普朗克于1900年提出的量子假说，和爱因斯坦于1905年提出的光子假说，提出了原子所具有的能量形成不连续的能级，当能级发生跃迁时，原子就发射出一定频率的光的假说。

玻尔的假设能够说明氢原子光谱等某些原子现象，初次成功地建立了一种氢原子结构理论。建立玻尔理论是原子结构和原子光谱理论的一个重大进展，但对原子问题作进一步的研究时，却显示出这种理论的缺点，因此只能把它视为很粗略的近似理论。
\subsection{量子力学}
1924年，德布罗意提出微观粒子具有波粒二象性的假设，以后的观察证明，微观粒子具有波的性质。

1926年薛定谔在此基础上建立了波动力学。同时，其他学者，如海森伯、玻恩、狄拉克等人，从另外途径建立了等效的理论，这种理论就是现在所说的量子力学，它能很好地解释原子现象。

1900-1930年，原子物理学处于物理学的前沿，发展很快，促进了量子力学的建立，开创了近代物理的新时代。由于量子力学成功地解决了当时遇到的一些原子物理问题，很多物理学家就认为原子运动的基本规律已清楚，剩下来的只是一些细节问题了。

由于认识上的局限性，加上研究原子核和基本粒子的吸引，除一部分波谱学家对原子能级的精细结构与超精细结构进行了深入的研究，取得了一些成就外，很多物理学家都把注意力集中到研究原子核和基本粒子上，在相当长的一段时间里，对原子物理未能进行全面深入的研究，使原子物理的发展受到了一定的影响。

1950年代末期，由于空间技术和空间物理学的发展，工程师和科学家们发现，只使用已有的原子物理学知识来解决空间科学和空间技术问题已是很不够了。过去，人们已精确测定了很多谱线的波长，深入研究了原子的能级，对谱线和能级的理论解释也比较准确。

但是，对谱线强度、跃迁几率、碰撞截面等这些空间科学中非常重要的基本知识，则了解得很少，甚至对这些物理量的某些参数只知道其量级。核试验中遇到的很多问题也都与这些知识有关。因此还必须对原子物理进行新的实验和理论探讨。
\subsection{论粒子的构造及核力的本质}
论粒子的构造及核力的本质  (2011-10-31 09:37:06)

这是我2003年发的文章请指教！

http://forrootbasic.51.net/wytk/yzyzh/yzyzh.htm

论粒子的构造及核力的本质
周银兵
（长沙铁路总公司长沙供电段）
（长沙 410007）
966005@sohu.com

摘要：本文提出了一种利用正负电子和正反中微子及其相互间的电磁和弱力作用来组构粒子的理论设想，从理论上估算出了中子和质子的半径及所谓核力的大小和强度，并且解释了核力具有饱和短程性的原因及各种核反应。

关键词：正负电子 正反中微子 电磁和弱力作用

研究表明：各种介子的最终衰变物包括正反粒子湮灭反应产物只是几种基本粒子：正负电子和正反中微子及光子中的某几种，而且正反中子、正反质子等强子也有迹象表明是由某些更基本的粒子组成。有人认为组成强子的基本粒子是所谓具有分数电荷的夸克，但是到目前为止，我们从没有发现所谓自由夸克的存在；而我们知道原子是由核外带负电的电子和带等量正电的原子核组成，按照对称的原理既然存在着这样多的电子，那么必定存在至少相同数目的正电子。如果说正电子存在于原子核内，那么我们假设原子核内的夸克带的正电就将造成原子内正电荷比负电荷多；如果说正电子不存在于原子核内，那么正电子又在哪里？同时为了解释原子核中稳定的构造，认为在强子间又存在着一种既不是电磁力，也不是万有引力的强相互作用——核力，并对这种作用提出了种种设想，面对所谓的“夸克幽禁”的困难和种种疑问，基于正负电子、正反中微子的对称性，结合各种实验事实和物理的现象，在此，我提出一种关于粒子的结构设想。

除正负电子和正反中微子外，具有静质量的实物粒子都是由一定数目的具有一定动能（动质量）的正负电子与一定数目的具有一定动能（动质量）的正反中微子在弱力和电磁作用下按照一定的排列组合规律组成的具有一定构成物的粒子体系，而各个基本粒子：正负电子和正反中微子的动能（动质量）及基本粒子的固有静质量则转化为整个粒子体系的静质量和一定动质量，动质量定义为从能量转化的角度讲：在不发生基本粒子湮灭反应的前提下，任意实物粒子在物理作用前后所表现出的总的静质量亏损可以理解为：在相互作用中，参与作用的所有实物粒子在静止条件下其内部的基本粒子总的动能（总的动质量）的减少；所表现出的总的静质量增加可以理解为：在相互作用中，参与作用的所有实物粒子在静止条件下其内部的基本粒子总的动能（总动质量）的增加。且静质量的变化量等于所有实物粒子在静止条件下其内部基本粒子总的动质量的变化量。在作用过程中必然伴随能量的转化。当然在不同的条件下（如作用、能量）正负电子、正反中微子的性质是有所不同的。

电子与中微子间及中微子间作用力是弱力作用，而电子间是电磁作用，且在足够小的空间范围内具有足够能量（包括势能）时，两种作用力应具有相同的作用强度。

在正粒子中，正电子、正中微子数和相应反粒子中负电子、反中微子数相等，且在正粒子中，负电子、反中微子数和相应反粒子中正电子数，正中微子数相等，而四种基本粒子的排列组合规律是应该相同的。

在中子或质子中，n个正电子，m个负电子和一定数目的正反中微子通过相互间的电磁和弱力作用按照一定的排列组合规律构成一个带n-m个单位正电荷的核心层，在核心层的外围空间分布着n-m组或n-m-1组由一个负电子和一定反中微子在弱力作用下组成的体系，并通过电磁作用绕核心运动，这样就构成了中子或质子（n-m ≥2）
在反中子或反质子中则是n个负电子，m个正电子和一定数目的正反中微子通过相互间的电磁和弱力作用按照一定的排列组合规律构成一个带n-m个单位负电荷的核心层，在核心层的外围空间分布着n-m组或n-m-1组由一个正电子和一定正中微子构成的体系，并通过电磁作用绕核心层运动，这样就构成反中子或反质子（n-m ≥2）对于核心层中正负电子及正反中微子具体的排列组合规律，以及n、m值还需要通过实验和具体分析加以确定。

在这些系统中，其核心层是稳定的，但是在中子和反中子的外层分布的带电粒子体系在运动中则可能通过电磁和弱力作用破坏其运动的稳定性，有可能造成正负电子和正反中微子从整个粒子体系中逃逸出来，这就是所谓的正反中子的衰变现象。由于核外层的电中微子系统在自由正反中子和不同的原子核中所受到的作用力是不同的。因此在自由中子和不同的原子核中的这种衰变在速率上是不同的。

按照这种粒子构造的设想，中子与中子，中子与质子，质子与质子间的作用力完全可以理解为类似于具有饱和短程性特征的分子力的电磁作用，中子或质子间外层电子与核心层的带电部分完全可以构成类似于分子间的化学键一样的核键，只不过在作用力强度和涉及的能量大小上有差别。

同样，反中子与反中子，反中子与反质子以及反质子间的作用力也完全可以理解为这种电磁作用。

可以看出，中子与反中子或质子与反质子之间直接的电磁作用是不具有类似于分子力的饱和短程性特征的，这一点，通过对正反质子或正反中子间的作用力分析是不难证明的。因而在相互作用下将发生湮灭反应。这里需要特别指出的是：虽然两个正反粒子间无法直接通过相互作用构成稳定的粒子体系，但是在多个正反基本粒子所构成的粒子体系中，由于各种作用非常复杂，在这样的条件下也有可能破坏正反基本粒子间的湮灭反应，因而不能排除正反粒子在此条件下可以稳定共存的可能性。按照上述设想，也就不难理解质子与反质子相遇或者当质子与质子，质子与中子或光子与质子等在相互撞击中，为什么总是产生各种介子、光子、正负电子、正反中微子，而就是不产生所谓的夸克。若中子最外层吸收一个电子时，则整个系统将显现为带一个单位的负电量，这与反质子将表现得很相似，在此，我把中子的这种状态叫做中子的负离子态。当它与质子作用时，若将外层的一个电子转给质子，将可能形成两个中子，这一点是有事实为证的。

为什么核心层的正负电荷数一定是（n-m ≥2）呢？因为假设核心层的正负电荷数是n-m =1这意味着正反质子的外层将是无电子的，那么与质子间或反质子间也存在着具有饱和短程性特征的所谓核力的事实就是矛盾的，因为按照上述设想，外层无正负电子的正反质子又怎么可能存在饱和性的核力呢？当然若n-m ＜3为0、1、2，而外层电子也相应变化，使整个粒子体系表现为带0或1个单位正负电荷且静质量与上述正反重子的质量相近，那么在实验中也可能将其看作为正反重子。

若考虑到核子的外层电中微子系统分布的层次性，并假设不同层次的电中微子系统具有不同的动能状态值，外层电中微子系统的动能值小，内层的电中微子系统的动能值大，具体数值还需通过实验和分析来加以确定。在不同的原子核内，核子间是通过电磁作用共用不同层次的电中微子系统并使其处于准静态而达到力平衡的，在小质量原子核中（如）主要是通过共用外层电中微子体系并使其处于准静态来实现力平衡的，因而整个粒子体系所表现出来的静质量亏损较小，即核子间的结合能较小；在大质量原子核中，部分核子除了共用外层电中微子系统还要共用内层的电中微子系统，因而其整个粒子体系所表现出的静质量亏损较大即核子间的结合能较大，因此也就表现出不同原子核具有不同的平均结合能的特点。当然共用电中微子系统时是应按照先外层后内层的原则的。

已知中子和质子形成氘核质量亏损为$2.22\times1.6\times10^{-13}/9\times10^{16}kg$,设中子的最外层电中微子系统被两个核子共用处于准静态，并设其它基本粒子动质量是不变化的，按照质能守恒及质能关系式这相当于中子最外层的电中微子系统具有的动能即为：$2.22\times1.6\times10^{-13}J$；已知由两个质子和一个中子组成，结合能为7.64兆电子伏，设中子最外层电中微子系统被共用，两个质子的最外层电中微子系统被共用，则可以认为质子最外层电中微子系统动能为E动=(7.64-2.22)/2=2.71兆电子伏。

在中子和质子中，电中微子系统绕核心层运动的向心力由电磁力提供，考虑内层电子所受斥力影响，则有方程：
(1)
而          (2)
则          （3）
或           （4）
——最外层电中微子系统总质量
mJ——最外层电中微子系统静质量
E动——最外层电中微子系统绕核运动的动能
Q1——核心层电量
Q2——电子所带单位电量
F斥——外层电子所受的斥力在核心层与最外层电子间的引力的相反方向上的分量
设F斥=0忽略中微子与电子作用时运动所产生的系统静质量，即mJ取电子静质量，设n-m=3 ，将电子动能E动 和 mJ代入（2）式得V，与Q1=3 一并代入（3）或（4）式：m
对于中子 r=1.65×10-15m
对于质子 r=1.38×10-15m
若设内层电子绕核运动构成一个带2个正电的独立电荷体，其对外层电子作用近似认为其核心层所带的2个正电荷与外层电子作用，将V与Q1=2; mJ代入（3）或（4）式：
对于中子 r=1.11×10-15m
对于质子 r=0.91×10-15m
若在中，只有一个中子和一个质子的最外层电中微子系统被共用，则可以认为质子最外层电子动能为E动=5.42 兆电子伏，将其代入（2）式得V与Q1=3 ，mJ 代入（3）或（4）式，质子 r=0.73×10-15m。
虽然这些值与实测值有一定差异，但综合考虑各种作用的复杂性及电中微子系统静质量与E动 的不确定性，所计算出的r值，与实测值的差异应该说还是在允许的误差范围之内的。
已知中子与质子的静质量差为2.075×10-13/9×1016Kg,而按以上理论推导，中子最外层的电中微子系统动能为3.55×10-13J；若中子衰变成的质子静质量不变化，那么质子与中子的质量差最少应为3.55×10-13/9×1016+0.91×10-30Kg（忽略中微子），这似乎是个问题。但正如前文所指出的一样，我们考察中子最外层电子运动时要考虑内层电子对其的斥力影响，最外层电子对内层电子也有一个斥力影响，当失去这个最外层电子时即斥力消失时，在核心层电荷作用下，内层电子动质量就有一个增加量，即中子放出电子后所形成的质子有一个静质量的增加量。
从作用力的角度讲，按照通常理解，两个质子间的静电斥力=KQQ/(2r)2(Q取1.6×10-19库）而根据以上设想，设核心层电量n-m=3,外层共用电子数分别为1和2（两个电子靠得很近），并忽略两核子中外层电子间变化斥力的影响，如图：

则两核子间的静电吸引力分别为：

这些值与其它方法求得的两核子间的核力在大小强度上是一致的，当然若核心层电荷n-3＞3 ，而共用电子数更多，且核心层电荷与内层电子发生更强的作用，那么这个力就更大，结合能也更大。
总之通过以上分析，可以看出，依靠正负电子，正反中微子及其相互间的电磁作用和弱力作用，是有可能理解所谓核力的本质和粒子的各种性质的！
\subsection{liz周银兵物质结构光子说}
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光生万物万象！万物万象统一于光！  周银兵物质结构光子说基于相对论量子论以及光子与正负电子相互转化的实验事实提出基本实物粒子（电子，中微子）是光子的黑洞态学说。导出电子的相对论质速关系式和光电统一方程将引力电力将引力常数电力常数基本电荷光速普朗克常数精细结构常数以及圆周率写入一组统一的数学方程组，揭示了光子与实物粒子（电子和中微子）的内在统一性，得到了正负电荷概念的全新理解认识！提出了正负电荷可相互转化理论！提出了一种利用一定数目具有一定动能（动质量）的正负电子和正反中微子及其相互间的电磁和弱力作用来组构粒子的理论设想，得到了质子和中子的半径，计算出核力的大小和强度，解释了核力的短程饱和性。解释了原子核在发生核反应时静质量变化的本质和内在机理，解释了各种核现象！ '周银兵物质结构光子说
http://blog.sina.cn/dpool/blog/s/blog\_701055fe0101bd1n.html
感谢中科院物理所北大中国高等科学技术中心主任李政道副主任周光召路甬祥邀请我参加首届国际量子调控物理研讨会！  ，群号码：258313919

'周银兵物质结构光子说 

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物质结构光子说
2013-04-20 15:32阅读：22,751
物理
周银兵
冥想思辨得玄机，格物致知明天理，
千差万别本相同，天地万物人合一。 周银兵。男。78年10月生于湘潭，自幼爱好物理和哲学，现就职于广州铁路集团公司长沙供电段汨罗供电工区 414400 zhouyinbing168@163.com zhouyb\_8@163.com
QQ群周银兵物质结构光子说 258313919
物质结构光子说二群 518452616 欢迎光临！
QQ号 2531454898 欢迎加友交流
本文基于相对论和光量子理论得到了比较系统的关于质量，能量，光子，电子和物质的观点！得到了比较好的物理结果！提出基本实物粒子（电子，中微子）是光子的黑洞态学说。导出电子的相对论质速关系式和光电统一方程将引力电力写进统一的数学方程式。将引力常数电力常数基本电荷光速普朗克常数精细结构常数以及圆周率写入一组统一的数学方程组，揭示了光子与实物粒子（电子和中微子）的内在统一性，指出了光子的动质量m=hv/cc与实物粒子（电子，中微子）惯性质量的本质上的统一性！指出电子（中微子）静质量和动质量的本质就是电子（中微子）中心处于黑洞态的光子的动质量，揭示了质量的本质及起源！万有引力的起源以及他与光子的内在关系！得到了正负电荷概念的全新理解认识！提出了正负电荷可相互转化理论！提出了一种利用一定数目具有一定动能（动质量）的正负电子和正反中微子及其相互间的电磁和弱力作用来组构粒子的理论设想，得到了质子和中子的半径，计算出核力的大小和强度，解释了核力的短程饱和性。解释了原子核在发生核反应时静质量变化的本质和内在机理，解释了各种核现象！
2002年完成《论粒子的构造及核力的本质》http://forrootbasic.51.net/wytk/yzyzh/yzyzh.htm 
http://blog.sina.cn/dpool/blog/s/blog\_701055fe0100z6o5.html?vt=4
在文中提出了一种利用一定数目具有一定动能（动质量）的正负电子和正反中微子及其相互间的电磁和弱力作用来组构粒子的理论设想，从理论上估算出了中子和质子的半径及所谓核力的大小和强度，解释了原子核发生核反应时静质量发生变化的物理机理，解释了核力具有饱和短程性的原因及各种核反应。为什么我要提出这个设想呢?今天物理学统一的困难，表面上是物理实践受条件限制而使我们对现象规律的理解仅仅趋向于唯象性的数学方程的描述。由于物理概念上的形而上学和片面性导致概念在逻辑上的不统一性进而造成逻辑建构统一体系的失败，使一部分人甚至放弃对物理世界统一理解的追求！这对研究者来说是不幸的而可悲的！对物理学的研究来说也是可怕可叹的！
物理学与哲学的关系毫无疑问是非常密切的。物理学与马克思主义的辩证法的关系的重要性在很长一段时间在很大一个范围是没有引起人们的足够重视的！在具体理解马克思主义辩证法的关系及运用马克思主义辩证法的方法于具体的物理学理论时由于理解得不深刻运用得不彻底时常又受到原有思想的影响和在原有思想影响下产生的概念的束缚而导致物理学理论进展缓慢！有鉴于此，笔者将马克思主义辩证法与物理学进行了全新的有机联系基于质量与能量的关系性，结合相关知识得到了一些新的结论！
正负电子，正反中微子作为已知的基本粒子是实验所确证的，也是物质世界对称原理所要求的，从哲学的层次讲，这与马克思主义辩证法的对立统一的思想也是统一的，可以说我的理论设想是对立统一的哲学观在理论物理中的体现和应用。不仅得到了相当好的物理结果，同时也充分体现了物质世界简单，和谐，对称，统一的美，除了哲学上的思考我的理论设想也基于以下的实验事实：
一，各种实物粒子的衰变物和正反粒子的灭反应产物只是正负电子，正反中微子，光子（光子作为电磁场的产物与电子是统一的）没有找到所谓的自由夸克。
二，相对论的质能关系和质速关系式，
三，正反物质在质子和介子及分子等物质层次上，在实验上没有找到具有相同数量的证明，即正反质子正反介子，正反分子，在数量上并不相等，而这违背了对称原理的要求。可是在电荷上实验又证明正负电荷完全中和对称。
因此假设正反质子，正反介子由正负电子，正反中微子构成是最自然的，最合理的。
所谓夸克的概念只是量子论的推论出的某个结论！在实验中并没有找到自由的夸克又怎么可以确定自由夸克的静质量呢？夸克模型本质上是建立在变种的量子力学的基础上的。几十年来的实验只是提供了一些非常间接的证据来证明夸克的存在并没有发现自由的夸克存在！而且用夸克处理核物理问题困难重重！更重要的是夸克的概念违背了世界简单和谐统一的美的要求！世界真的有那么多种类的夸克？今天夸克的概念就如同二十世纪初的以太概念一样严重的阻碍和束缚着我们对世界形成统一认识！应该说夸克模型代表着一种物质可以在物理和数学意义上无限分割的基本物质观念，我的观点则反映着一种物质至少在物质意义上是有限可分的物质观！我是不赞成物质无限可分的观点的。至少在物质意义上这样认为！无限的概念在数学上是有意义的。在真实的自然界中将是不可理解和认识的！如果说宇宙可以由数学公式来描叙那么在这个有效的公式中应该存在在物质意义上是有限量的参量！如光速c,普朗克常量h等！从这个意义上讲基本电荷应该是有限量如果存在1/3，2/3的电荷那么我们照例可以认为存在1/4，3/4，1/6，1/2，5/6。1/7，2/7。。。。。等等分数电荷的真实粒子那么我们寻找基本粒子的工作将永无止境物理学最终将走上不可知论的泥潭！抛弃这个多余的概念结合实验的事实运用相对论的物质能量观我们是可以统一认识这个世界的！在高能物理领域不能太迷信某些理论的数学公式的推论，而要尊重最起码的实验事实：到最后只有正负电子正反中微子是基本的稳定的。高能物理学更准确的说整个物理学是可以统一的建立在这些基本事实基础之上的。
2006年我又进一步完成了（物质结构光子说）http://blog.sina.cn/dpool/blog/s/blog\_701055fe0100nbta.html?vt=4（博文已部分修正）http://blog.sina.com.cn/u/1880118782基于相对论的质能观和时空观，光子和正负电子的相互转化的事实，以及物质及其运动的统一性和联系性的哲学观点，提出了关于电磁作用，弱力作用。强相互作用。万有引力作用的新的统一理论，提出基本实物粒子（电子，中微子）是光子的黑洞态学说，2012年进一步导出了光电统一方程http://blog.sina.cn/dpool/blog/s/blog\_701055fe0101avbh.html?vt=4将引力电力写进一个统一的数学方程将引力常数电力常数基本电荷光速普朗克常数精细结构常数以及圆周率写入一组统一的数学方程组，揭示了光子与实物粒子（电子和中微子）的内在统一性，指出了光子的动质量m=hv/cc与实物粒子（电子，中微子）惯性质量的本质上的统一性！在相对论和量子论的基础上由光子的动质量推导出电子和中微子的质速关系式！揭示了实物粒子惯性质量的本质及起源！万有引力的起源以及他与光子的内在关系！得到了正负电荷概念的全新理解认识！提出了正负电荷可相互转化理论！从而将粒子物理学完全建构在相对论和光量子理论的基础之上同时为关于物质运动的绝对性和静止的相对性和物质及其运动的统一性和联系性的哲学观点找到了全新的科学佐证！
按照现代物理学，运动和静止都是相对于我们所选取的参照系来说的！从相对论的角度讲按照物质结构光子说的理解，所谓静止的相对性应该理解为光子以恒定的运动速度为基础，以某种特定的状态（黑洞态，组合态）为表现形式，相对于特定的参照系而表现出静止的相对性！运动的绝对性则可以理解为不论光子处于何种状态，也不论何种物质结构层次其基本构成物光子相对任何选取的参照系都具有恒定不变的绝对的运动速度c！从这个角度讲所谓具有静质量的物质（电子中微子以及由他们组合成的粒子物质）只是光子的某种特殊的状态组合的产物。它即具有静止的相对性，也具有运动的绝对性！它是这个统一的联系的光子物质世界的一部分，一种状态，一种表现形式！按照物质结构光子说所有物质可以分为两种基本形式一种就是光子黑洞态及其组合态所表现出具有静质量的物质一种就是弥散分布的静质量为零动质量为hv/cc的光子表现为所谓的场,具体讲就是所谓电磁场而黑洞周围的弯曲时空就表现为所谓的引力.光子在黑洞中做顺时钟圆周运动和逆时钟圆周运动的区别及其附带产生的辐射光子运动的区别就是产生粒子正反特性及其正负电荷特性和自旋特性的根源。
按照物质结构光子说。一定频率的光子首先通过黑洞化产生出正负电子和正反中微子！一定数目具有一定能量的正负电子和正反中微子由于时空的不对称分布组合成各种实物粒子！所谓物质有限可分是说电子和中微子是具有所谓静质量的最基本的实物粒子其他实物粒子是他们的组合！实物粒子只能分解到电子和中微子电子和中微子再分解下去在物理上就没有实物粒子的基本特性比如质量电荷的物理意义了！本质上讲电子中微子只是光子的黑洞态！我们除了用正反电子或者中微子发生湮灭反应将其转化为光子！我们不可能通过所谓高能粒子撞击来改变电子作为光子黑洞态的本质！只是改变电子或者中微子的动能或者说黑洞态光子能，光通过黑洞化产生出正负电子对和中微子对！一定数目具有一定动能的正负电子正反中微子通过时空的不对称分布构成各种粒子和实物！反过来实物要转化为光子必须通过正反物质的湮灭反应来实现！这些大量不对称分布的正负电子中微子破坏了单对正负电子的湮灭条件故湮灭反应难于发生！我们要实现物质变为光！要么制造出反物质使他们发生湮灭反应！要么改变现有物质的结构使大量不对称分布的正负电子的分布发生根本变化也可以实现物质变光！但是这样需要我们用大能量改变质子中子结构这在目前还难于实现！在理论上光变物质逆过程也可以发生！比如光生正负电子对及各种所谓介子等实物粒子！
学习过相对论的都清楚相对论在推导时是基于相对性原理和光速不变性的基本假设！所谓相对时空观也是基于上述基本原理推导出的！我现在要问，为什么我们将实物质体运用到以基于光或者说电磁波（光速不变性）和相对性原理推导所得到的相对论体系的洛仑兹变换式中时居然对实物体同样是有效的呢？这种有效性到底是基于什么样的基本原理和事实呢？如果我们不能理解这个基本的原理或事实，我们凭什么将这种运用看作是认识论上的必然的必要的和必须的呢？而这种运用的有效性意味着什么？
从逻辑学的角度讲相对论是基于两个基本原理一相对性原理二光的光速不变性导出的从物理学的角度理解就是将光或者说电磁现象纳并到相对性原理之下将麦克斯韦电磁理论与相对性原理统一起来！我们始终不要忘了没有光的光速不变性就不会得出相对论体系！没有麦克斯韦电磁理论也不会得出相对论从这种意义上讲相对论本质就是建立在光（电磁场）的基础上的。所研究的本质上就是光（电磁场）！相对论在粒子物理学的成功运用，恰恰表明粒子物理学没有超出相对论的范围。粒子的本质没有超出光（电磁现象）的范围，从量子论的角度理解，光或者说电磁波都是由一份份的光子构成的！这就是我试图将光量子与实物粒子统一起来建立物质结构光子说的基本出发点！我相信实物与光子在事实上的统一性是我们将实物质体运用到以基于光或者说电磁波（光速不变性）和相对性原理推导所得到的洛仑兹变换式中时居然对实物体同样是有效的根本原因！所谓实物粒子不过就是光子的某种状态！我的研究表明电子中微子就是一定频率光子的黑洞态而各种静质量大于电子静质量的实物粒子就是由一定数目具有一定动能动质量的正负电子和正反中微子构成！
如果我们认为电子间的引力和静电力都起源于电子中做圆周运动的光子，引力由电子中光子自身固有频率表征，静电力由电子中的光子做圆周运动的频率V表征，V=C/2tr,r为电子的黑洞半径。则两个电子间引力强度与静电力强度之比等于两个电子（以e1,e2表示）中电子e2中的光子本身固有频率与电子e1中光子做圆周运动的频率之比乘以精细结构常数的倒数的一半。既： Gm1m2/Ke1e2=(1/2a).(v2/v) （1）式 m1为电子e1质量m1=hv1/cc m2为电子e2质量m2=hv2/cc v2为电子e2中光子本身固有频率 v=c/2tr (v为电子e1中光子做圆周运动的频率，r为电子e1的黑洞半径=2Ghv1/cccc) a为精细结构常数 由（1）式可以推得 Ke1e2= ahc/2t (t为圆周率）c为光速 e为电子的单位电荷）反过来，只要m1为电子e1质量m1=hv1/cc m2为电子e2质量m2=hv2/cc v2为电子e2中光子本身固有频率 v=c/2 tr (r为电子e1的黑洞半径=2Ghv1/cccc)那么由ke1e2=ahc/2t可以推得 Gm1m2/Ke1e2=(1/2a).(v2/v).
同理可以证明：当m1=hv1/cc m2=hv2/cc v1为电子e1中光子本身固有频率 v=c/2 tr (r为电子e2的黑洞半径=2Ghv2/cccc)那么由ke1e2=ahc/2t可以推得 Gm1m2/Ke1e2=(1/2a).(v1/v).既两个电子间引力强度与静电力强度之比等于两个电子（以e1,e2表示）中电子e1中的光子本身固有频率与电子e2中光子做圆周运动的频率之比乘以精细结构常数的倒数的一半。
Gm1m2/Ke1e2=(1/2a).(v1/v)
当m1=hv1/cc m2=hv2/cc v1为电子e1中光子本身固有频率 v=c/2 tr (r为电子e2的黑洞半径=2Ghv2/cccc)
或者Gm1m2/Ke1e2=(1/2a).(v2/v)
当m1=hv1/cc m2=hv2/cc v2为电子e2中光子本身固有频率 v=c/2 tr (r为电子e1的黑洞半径=2Ghv1/cccc)
Ke1e2= ahc/2t (t为圆周率）c为光速 e为电子的单位电荷）
这一组数学方程可以揭示在电子间G，h,v1,v2.K,e1,e2,a,,c,t的关系也就是引力。电力，电子中光子频率v，光速c，h,圆周率t,以及精细结构常数a的密切关系！
引力与电力强度的比值是有实验依据的！这些实验证据从实验的角度证明光电统一方程所揭示的引力电力和光的自身固有频率和光子在自身引力作用下形成的黑洞态的圆周运动及精细结构常数之间有着密切的联系！
我已经将我的博客以电邮及博客留言的形式发送到中科院高能所，物理所，理论物理所，北大，清华。北师大以及科学网等研究学术机构研究基础物理核物理和粒子物理的近千位专家教授以及我参加各种物理研讨会和学术组织所结识的众多研究者！我真诚的希望得到老师们的批评指教和帮助！我知道自己一无文凭二无学历三无背景四无人脉五无金钱整个一白丁！要入大方之家的法眼，却有痴人说梦之嫌！但怎奈我本就一痴人留他几句痴梦诤言又有何妨？同时我要感谢《物理科学探疑》，《当代物理世界论文集》网站，是他们没有成见的，宽容的自由的学术态度使我的文章有机会首先在网上发表。感谢中科院物理所北京大学中国高等科学技术中心（主任李政道副主任周光召路甬祥）邀我参加物理研讨会，感谢第十届中国科学家论坛的邀请，因经费原因不能成行实为遗憾，感谢南开大学的何会文博士的邀请加入博士部落，（可惜已经关闭）感谢NAST国科社区的高洪山老师，北京相对论研究联谊会会长吴水清老师上海ufo俱乐部秘书长黄红新等众多网友老师的转载推荐，感谢中科院郝柏林院士，清华大学量子专家龙桂鲁教授，学着王庚法老师，同乡学者胡柯老师等众多老师的回信鼓励！感谢美籍物理学者复旦大学特聘物理学教授张操老师道义上的支持！感谢十多年来众多老师网友的支持鼓励！感谢各位老师各位网友的批评指教和评论！感谢cctv央视网，新浪网，科学网,光明网，百度，天涯网，googel论坛，腾讯QQ,新华网，凤凰网，网易，人民网,知乎网,豆瓣网,凯迪社区,中国UFO研究,NAST国科社区,中华论坛北京相对论研究联谊会网等等数百网站论坛贴吧提供学习交流的平台！使物质结构光子说得以广泛的传播普及,一年多来有了几千万的阅读成千上万的评论,产生了良好的传播效果得到了广大网友和有识之士的大力支持鼓励!在此我表示最诚挚的感谢!最后我想感谢成都的刘丙喜好友，感谢他给予我物质上的帮助，他曾愿意为我提供待遇优厚的工作岗位以解决我生活上的困难，虽然最终因为家庭原因不能成行，但是他的一片诚心我将铭记于心，谢谢刘丙喜好友！正所谓是
五无白丁好猖狂，问天询地访八方。
玄机天数今何在？恍恍箴言留几行。
2002年完成《论粒子的构造及核力的本质》http://forrootbasic.51.net/wytk/yzyzh/yzyzh.htm，
http://blog.sina.cn/dpool/blog/s/blog\_701055fe0100z6o5.html?vt=4
2006年完成了（物质结构光子说）论证稿http://blog.sina.cn/dpool/blog/s/blog\_701055fe0100nbta.html?vt=4，
2012年完成《光电统一方程》http://blog.sina.cn/dpool/blog/s/blog\_701055fe0101avbh.html?vt=4
漫步人生求索路，敢问星星知我心http://blog.sina.cn/dpool/blog/s/blog\_701055fe0101crjr.html?vt=4
这是揭开宇宙之谜网友关于主流粒子物理学标准模型的反思，伟大的造物——有关物质结构的思考http://blog.sina.cn/dpool/blog/s/blog\_701055fe0101chfr.html?vt=4
http://blog.sina.cn/dpool/blog/s/blog\_701055fe0101chfs.html?vt=4
关于当代主流粒子物理学的选择性思维的思考！
http://blog.sina.cn/dpool/blog/s/blog\_701055fe0101g7ql.html?vt=4
感谢各大网站提供平台感谢各位老师网友的支持鼓励和指教评论！ http://blog.sina.cn/dpool/blog/s/blog\_701055fe0101g030.html?vt=4 致当代主流物理学家的一封公开信
http://blog.sina.cn/dpool/blog/s/blog\_701055fe0101fqp9.html?vt=4
与前辈老师书童天荼2881676513的探讨！！！！
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回复网友评论
(http://blog.sina.cn/dpool/blog/s/blog\_701055fe0101g3li.html?vt=4
与北大物理老师的探讨！ http://blog.sina.cn/dpool/blog/s/blog\_701055fe0102wdzi.html?vt=4 由物质结构光子说得到的关于科学哲学和宗教的思考！ http://blog.sina.cn/dpool/blog/s/blog\_701055fe0102vpvg.html?vt=4
光教从科学哲学宗教宇宙的大统一的角度理解世界！
http://blog.sina.cn/dpool/blog/s/blog\_701055fe0102w2oc.html?vt=4
高举马克思主义哲学理论旗帜！将爱因斯坦开启的物理学革命进行到底！
http://blog.sina.cn/dpool/blog/s/blog\_701055fe0102vian.html?vt=4
电荷的本质！！！！！！！！！！
我们应该要搞清楚电荷概念为什么要引入？到底是描述什么？本质是什么？而不是去说存在不存在？
电子间所谓电荷间的电磁作用本质上是电子中黑洞态光子的黑洞效应！电荷量本质只是描述这种黑洞作用效应的物理量！
当正负电子湮灭变成光子时！黑洞态已不存在！自然也就无所谓黑洞效应也就是无所谓电子电荷间电磁作用无所谓电荷了！也就是说电荷因电子中黑洞态光子存在而存在！
光子不具有静质量！但具有动质量hv/cc！电子本质上只是光子的黑洞态！电子惯性质量本质上只是黑洞态光子的动质量！电荷本质上只是描述电子中黑洞态光子黑洞效应的物理量！
光生万物万象！万物万象统一于光！周银兵物质结构光子说基于相对论量子论光子与正负电.子相互转化的实验事实提出基本实物粒子（电子，中微子）是光子的黑洞态学说。导出电子的相对论质速关系式和光电统一方程将引力电力将引力常数电力常数基本电荷光速普朗克常数精细结构常数以及圆周率写入一组统一的数学方程组，揭示了光子与实物粒子（电子和中微子）的内在统一性，得到了正负电荷概念的全新理解认识！提出了正负电荷可相互转化理论！提出了一种利用一定数目具有一定动能（动质量）的正负电子和正反中微子及其相互间的电磁和弱力作用来组构粒子的理论设想，得到了质子和中子的半径，计算出核力的大小和强度，解释了核力的短程饱和性。解释了原子核在发生核反应时静质量变化的本质和内在机理，解释了各种核现象！ '周银兵物质结构光子说 http://blog.sina.cn/dpool/blog/s/blog\_701055fe0101bd1n.html?vt=4感谢中科院物理所北大中国高等科学技术中心主任李政道副主任周光召路甬祥邀请我参加首届国际量子调控物理研讨会！，群号码：258313919
'周银兵物质结构光子说
http://blog.sina.cn/dpool/blog/s/blog\_701055fe0101bd1n.html?vt=4
郑重声明！！！！
考虑到官科论文预发布平台及审稿对作者单位的规定！民科通过官科平台发表观点进行学术交流的可能性基本排除！
本人严重申明！任何人特别包括官科学友将来引用物质结构光子说观点结论公式发文投稿无论国际国内必须征得本人周银兵亲自同意并且注明出处！否则本人将以剽窃名义保留追究其法律责任的权利！
特此声明！
物质结构光子说作者周银兵
2017年05月11日
版权声明!
本博文章除注明转载外皆为笔者原创!有转载引用者!请注明文章出处!谢谢!!!!!!
\section{运用}
原子物理学的发展对激光技术的产生和发展，作出过很大的贡献。激光出现以后，用激光技术来研究原子物理学问题，实验精度有了很大提高，因此又发现了很多新现象和新问题。射频和微波波谱学新实验方法的建立，也成为研究原子光谱线的精细结构的有力工具，推动了对原子能级精细结构的研究。因此，在20世纪50年代末以后，原子物理学的研究又重新被重视起来，成为很活跃的领域。
\chapter{原子核物理学}
原子核物理学(英文名称：nuclear physics)，属于物理学分支。研究原子核的结构和变化规律，获得射线束并将其用于探测、分析的技术，以及研究同核能、核技术应用有关的物理问题，简称核物理。如果说光的色散性揭示了引斥力与距离的平方成反比的原因，那么光的叠加干涉也就是所谓的量子纠缠就揭示了电荷的引斥力和原子核力的产生原因。
\section{发现放射性}
第一位发现放射性的是法国物理学家安东尼·亨利·贝克勒尔（Antoine Henri Becquerel，1852－1908），他是研究荧光和磷光的专家。

1895年4月，法国著名波兰裔科学家、物理学家、化学家玛丽亚·斯克沃多夫斯卡·居里（Marie  Curie，全名Maria Skłodowska Curie，1867年11月7日—1934年7月4日，世称“居里夫人”）的论文《铀和钍的化合物之放射性》，由李普曼宣读于科学院。

1896年初，伦琴发现X射线的消息传到巴黎，一个偶然的机会使亨利·贝克勒尔遭遇上放射性问题。当时法国有一位著名数学家、天体力学家、数学物理学家、科学哲学家亨利·庞加莱(Jules Henri Poincaré，1854年4月29日—1912年7月17日，庞加莱的研究涉及数论、代数学、几何学、拓扑学、天体力学、数学物理、多复变函数论、科学哲学等许多领域。他被公认是19世纪后四分之一和二十世纪初的领袖数学家，是对于数学和它的应用具有全面知识的最后一个人。庞加莱在数学方面的杰出工作对20世纪和当今的数学造成极其深远的影响，他在天体力学方面的研究是牛顿之后的一座里程碑，他因为对电子理论的研究被公认为相对论的理论先驱)，收到伦琴的通信后，在法国科学院1896年1月20日的例会上向与会者报告了这件事，展示了伦琴的通信和X光照片。贝克勒尔正好在场，他问彭加勒，这种射线是怎样产生的？彭加勒回答说，似乎是从真空管阴极对面发荧光的地方产生的，可能跟荧光属于同一机理。彭加勒还建议贝克勒尔试试荧光会不会伴随有X射线。于是第二天贝克勒尔就在自己的实验室里开始试验荧光物质会不会辐射出一种看不见却能穿透厚纸使底片感光的射线。他试来试去，终于找到了一种铀盐--双氧铀硫酸钾盐具有预期效果。贝克勒尔拿两张厚黑纸，把感光底片包起来，包得那样严实，即使放在太阳底下晒一天，也不会使底片感光。然后，他把铀盐放在黑纸包好的底片上，又让太阳晒几小时，就大不一样，底片显示了黑影。为了证实是射线在起作用，他特意在黑纸包和铀盐间夹一层玻璃，再放到太阳下晒。如果是由于某种化学作用或热效应，隔一层玻璃就应该排除，可是仍然出现了黑影。于是贝克勒尔肯定了彭加勒的假定，在法国科学院的例会上报告了实验结果。又过了几天，贝克勒尔正准备进一步探讨这种新现象，2月26-27日巴黎却连日天阴，无法晒太阳，他只好把所有器材包括包好的底片和铀盐都搁在同一抽屉里。1896年3月，他想看看即使不经太阳照晒，底片会不会也有变黑的现象。于是他把底片洗了出来。哪里想到，底片上的黑影真的十分明显。他仔细检查了现场，肯定这些黑影是铀盐作用的结果。贝克勒尔面对这一现象，很快就领悟到，必须放弃原来的假设，这种射线跟荧光没有直接关系，它和荧光不一样,不需要外来光激发。他继续试验，终于确证这是铀元素自身发出的一种射线。他把这种射线称为铀辐射。铀辐射不同于X射线，两者虽然都有很强的穿透力，但产生的机理不同。同年5月18日，他在法国科学院报告说：铀辐射乃是原子自身的一种作用，只要有铀这种元素存在，就不断有这种辐射产生。后来，居里夫妇将其称为“放射性”。我们称其为天然放射性。尽管贝克勒尔当时错误地认为它是某种特殊形式的荧光，但天然放射性的发现仍不愧是划时代的事件，它打开了微观世界的大门，为原子核物理学和粒子物理学的诞生和发展奠定了实验基础。

1898年7月，居里夫妇向科学院提出《论沥青铀矿中一种放射性新物质》，说明发现新的放射性元素84号，比铀强四百倍，类似铋，居里夫人建议以她的祖国波兰的名字构造新元素的名称钋（polonium）。从此居里夫妇密切合作，共同研究，建立最早的放射化学工作方法。

1898年12月，居里夫妇和同事贝蒙特向科学院提出《论沥青铀矿中含有一种放射性很强的新物质》，说明又发现新元素88号，放射性比铀强百万倍，命名为镭（Radium）。玛丽·居里关于发现新元素钋的报告，用波兰文在华沙《斯维阿特罗》画报月刊上发表。

1900年3月，玛丽在巴黎西南的赛福尔女子高等师范学校任教，讲授物理学。玛丽的论文《论放射性钡化物的原子量》。居里夫妇在巴黎国际物理学会上宣读论文《论新放射性物质及其所发射线》。
1900年10月，两位德国学者瓦尔柯夫和吉泽尔宣称镭对生物组织有奇特效应。后经居里夫妇证实镭射线会烧灼皮肤。

1902年，经过三年又九个月的提炼，居里夫妇从数吨残渣中分离出微量（一分克）氯化镭RaCl2，测得镭原子量为225，后来得到的精确数为226。

1903年，居里夫妇和贝克勒尔共同荣获诺贝尔物理学奖。
\section{原理}
放射性衰变的研究证明了一种元素可以通过$\alpha$衰变或$\beta$衰变而变成另一种元素，推翻了元素不可改变的观点；还确立了衰变规律的统计性。统计性是微观世界物质运动的一个根本性质，同经典力学和电磁学所研究的宏观世界物质运动有原则上的区别。衰变中发射的能量很大的射线，特别是$\alpha$射线，为探索原子结构提供了前所未有的武器。
\section{发展}
1919年，卢瑟福等人发现用$\alpha$射线轰击氮核时释放出质子，首次实现人工核反应。此后用射线引起核反应的方法逐渐成为研究原子核的主要手段。初期取得的重大成果是1932年中子的发现和1934年人工放射性核素的制备。原子核是由中子和质子组成的。中子的发现不仅为核结构的研究提供必要的前提，还因为它不带电荷，不受核电荷的排斥，容易进入原子核而引起中子核反应，成为研究原子核的重要手段。1930年代中，人们还从对宇宙线的观测发现正电子和“介子”(后称$\mu$子)，这些发现是粒子物理学的先河。

1920年代后期，开始探讨加速带电粒子的原理。1930年代初，静电、直线和回旋等类型的粒子加速器已具雏形，在高压倍加器上实现初步核反应。利用加速器可以获得束流更强、能量更高和种类更多的射线束，大大扩展了核反应的研究，使加速器逐渐成为研究原子核、应用核技术的必要设备。

在核物理的最初阶段已注意它的应用，特别是核射线治疗疾病例如肿瘤的作用。这是它当时受社会重视的重要原因。
\section{大发展时期}
1939年，O.哈恩和F.斯特拉斯曼发现核裂变。

1942年，E.费米建立了第一个裂变反应堆，开创了人类掌握核能源的新世纪。

核能几乎是取用不竭的能源，为了有效利用核能源、发展核武器，需要解决一系列很复杂的科学技术问题，而核物理和核技术是其中心环节。因此，核物理飞跃发展，成为竞争十分剧烈的科技领域。这一阶段持续30年左右，是核物理的大发展时期。在此期间，粒子的加速和探测技术有很大发展：1930年代，最多只能把质子加速到1×$10^{6}$电子伏特(eV)的数量级；1970年代，已达到4×$10^{11}$eV，可产生能散度特小、准直度特高或流强特大的各种束流。在探测技术方面，半导体计数器的应用大大提高了测定射线能量的分辨率。核电子学和计算技术的飞速发展，从根本上改善了获取和处理实验数据的能力，也大大扩展了理论计算的范围。这一切有力地促进了核物理研究和核技术应用。对原子核的基本结构和变化规律也有更深入的认识，基本弄清了核子之间的相互作用的各种性质；对稳定核素和寿命较长的放射性核素的基态和低激发态(具核能级)的性质积累了较系统的实验数据；并通过理论分析，建立了各种适用的原子核模型，成功地解释了各种核现象和核反应。此外，还开展了高能核反应和重离子核反应的研究。
\section{原子合成}
通过核反应，人工合成了17种原子序数大于92的超铀元素和上千种新的放射性核素，表明元素仅仅是在一定条件下相对稳定的物质结构单位，并不是永恒不变的。天体物理的研究证明：核反应是天体演化中起关键作用的过程，核能是天体能量的主要来源。还初步了解到天体演化过程就是各种原子核的形成和演变的过程，诞生了新的边缘学科如宇宙化学。通过高能和超高能射线束和原子核的相互作用，发现了上百种短寿命的粒子，包括各种重子、介子、轻子和共振态粒子。庞大的粒子家族的出现，使物质世界的研究进入新阶段，建立了粒子物理学。这是物质结构研究的新前沿，再次证明了物质的不可穷尽性。各种高能射线束还提供了用其他方法不能获得的核结构知识。
\section{相互作用}
通过对原子核的深入研究，发现在核范围内除了宏观物体之间的长程的电磁相互作用、引力相互作用以外，还有短程的强相互作用和弱相互作用。在弱作用下宇称不守恒的发现，是对传统的物理学时空观的一次重大突破。研究这4种基本相互作用的规律和可能的联系，已成为粒子物理学和量子力学的重要课题，核物理还将在这方面做出新贡献。核物理还为核能装置的设计提供日益精确的数据，提高了核能利用的效率和经济指标，为更大规模的核能开发准备了条件。人工制备的各种同位素的应用，已遍及理工农医各部门。新的核技术如核磁共振、穆斯堡尔谱学等等，都迅速得到应用。核技术的广泛应用已成为科学技术现代化的标志之一。
\section{粒子物理}
粒子物理学建立后，在1960年代，核物理学和粒子物理分道扬镳，核物理学已不再处于物质结构研究的最前沿。这是人类对自然界认识的一个重大失误，也是近代物理学的一个悲剧。原子核是微观物质的基石，在某种意义上说，无论是基本粒子理论或原子理论都应该建立在原子核理论基础上。原子只是原子核在核外空间（0.1纳米）的一个表象，而且是一种特殊（如地球环境）的物相，原子核在核外空间更普遍的存在的物相是等离子态。最简单的核是氢原子核，也称为质子，另一个核子称为中子，核子是最基本的粒子，其它的物理粒子如介子、轻子等都是原子核反应的产物，在原子核反应中最基本量子数是核的质量数A，这是个守恒量。物理学有本末倒置之嫌，这是从原子核的质量观测数据和电子深度非弹性散射（deep inelastic scattering)实验数据得出的结论。我们可以回顾原子物理学和原子核物理学的历史，从1913年到1927年，曾经出现四个关于氢原子理论（玻尔理论、索末菲理论、薛定格理论和狄拉克理论) 这些理论都能说明氢原子的光谱，而从海森伯1932年提出原子核结构之后，近八十年时间中，曾出现许多原子核的理论，没有任何一个理论能够解释原子核的质量等静态数据和核的放射性，这说明人们对原子的认识基本是正确的，而对原子核的认识从一开始就进入了误区。
核能利用方面也不像前阶段那样迫切需要核物理提供数据、研制关键设备。从1970年代起，核物理进入纵深发展和广泛应用的更为成熟的阶段。
\section{2000年代核物理}
在现阶段，由于重离子加速技术的发展，已能有效地加速从氢到铀全部元素的离子，能量达到每核子$1\times10^9eV$，扩充了变革原子核的手段，使重离子核物理研究有全面的发展。强束流的中、高能加速器不仅提供直接加速的离子流，还能提供诸如π介子、Κ介子等次级粒子束，从另一方面扩充了研究原子核的手段，加速了高能核物理的发展。超导加速器将大大缩小加速器的尺寸，降低造价和运转费用，并提高束流的品质。

核物理实验方法和射线探测技术也有了新的发展。微处理机和数据获取与处理系统的改进，影响深远。过去，核过程中同时测定几个参量就很困难，当前，一次记录几十个参量已很普遍。对一些高能重离子核反应，成千个探测器可同时工作，一次记录和处理几千个参量，以便对成千个放出的粒子进行测定和鉴别。另一方面，一些专用的核技术设备都附有自动的数据处理系统，简化了操作，推广了使用。
\section{目标}
核物理基础研究的主要目标有两个方面：

1.通过核现象研究粒子的性质和作用，特别是核子间的相互作用。

一些重要问题如中子的电偶极矩、中微子的质量和质子的寿命等都要通过低能核物理实验测定；粒子间相互作用的重要知识也可由中高能核物理提供。

2.核多体系运动的研究。

核多体系是运动形态很丰富的体系，过去主要研究了基态和低激发态的性质以及一些核反应机制，对于高自旋态、高激发态、大变形态以及远离$\beta$稳定线核素等特殊运动形态的研究才刚开始，对基态和低激发态的实验知识也不足，远小于多体波函数提供的信息。核运动形态的研究将在相当长的时期内成为核物理基础研究的主要部分。

核技术的广泛应用是本阶段的重要特点。常用的小型加速器已投入工业生产，成千上万台加速器在研究所、大学、工厂和医院中运转，钴60放射源的使用更为普遍；另一方面，几乎没有一个核物理实验室不在从事核技术的应用研究。核技术应用主要有以下几个方面：

1.为核能源的开发服务，为大型核电站到微型核电池提供更精确的数据和更有效的利用途径。

2.同位素的应用，这是应用最广泛的核技术，包括同位素示踪、同位素仪表和同位素药剂等。

3.射线辐照的应用，利用加速器及同位素辐射源，进行辐照加工、食品消毒保鲜、辐照育种、探伤以及放射医疗。

4.中子束的应用，除利用中子衍射分析物质结构外，还用于辐照、掺杂、测井、探矿及生物效应，如治癌。

5.离子束的应用，大量的加速器是为了提供离子束而设计的，离子注入技术是研究半导体物理和制备半导体器件的重要手段，离子束则是无损、快速、痕量分析的主要手段，特别是质子微米束对表面进行扫描分析，对元素含量的探测极限可达$1×10^{-15}-1×10^{-18}$克，是其他方法难以比拟的。

在原子核物理学诞生、壮大和巩固过程中，核技术的应用使核物理基础的研究获得广泛的支持，后者又为前者不断开辟新的途径。这两方面的需要推进了粒子加速技术和核物理实验技术的发展；而这两门技术的新发展，又有力地促进了核物理的基础和应用的研究。这种相互推动、共同发展的趋势，将在核物理的新阶段中发挥日益巨大的作用。

核物理学的另一个目标就是利用粒子反冲技术造福人类。